KR20150068569A - 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템은 선박의 연료 공급 시스템에 있어서, 선박의 추진 또는 발전 기관에 연료로 공급되는 천연가스를 기화시키는 기화기; 및 선박의 과급기로부터 메인 엔진으로 공급되는 소기를 냉각시키는 소기 냉각 유닛을 포함하되, 기화기는 소기 냉각 유닛으로부터 소기의 폐열을 공급받아 천연가스를 기화시키는 것을 특징으로 한다.

Description

소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템 및 방법{Fuel Supply System Using Waste Heat Of Scavenge Air For Ship}
본 발명은 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 연료 공급 시스템에 있어서, 선박의 과급기로부터 메인 엔진으로 공급되는 소기를 냉각시키는 소기 냉각 유닛으로부터 소기의 폐열을 공급받아 기화기에서 천연가스를 기화시켜 선박의 추진 또는 발전 기관에 연료로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템에 관한 것이다.
근래 LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다.
특히 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로서 여러 분야에서 사용이 늘어나고 있다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다. 따라서, 천연가스 이송 시 LNG로 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있으며, 일 예로 LNG를 해상으로 수송(운반)할 수 있는 LNG 운반선이 사용되고 있다.
선박에 대한 국제기구와 각 국가의 규제 기준도 점차 까다로워지고 있어, 선박의 친환경 고효율의 연료에 대한 관심도 늘고 있는데, 그 중 하나로 LNG에서 자연 기화 또는 강제 기화된 기화가스를 연료로 사용할 수 있는 DFDE 엔진(Dual Fuel Diesel Electric)과 같은 엔진이 개발되어 선박에 사용되고 있다. 연료 공급을 위해서는 액화천연가스를 기화시켜야 하고, 이를 위한 기화열이 필요하다.
한편, 선박의 추진용 또는 발전용 엔진에서 연료 연소로 발생하는 에너지 중 약 50% 정도는 추진 또는 발전에 사용되지만, 나머지는 배기가스나 냉각수에 포함되는 열 에너지의 형태로 외부로 배출되는데 이를 폐열이라고 일컫는다.
에너지 효율을 높이기 위해 이러한 폐열을 활용할 수 있는 기술들이 개발되고 있는데, 대표적으로 선박 배기가스의 고온 열을 이용하여 증기를 생성하여 추가 발전하는 선박의 폐열회수장치(WHRS: Waste Heat Recovery System)가 선박에 적용되고 있다.
그러나 폐열회수장치는 200℃ 이상의 고온 배기가스로부터 열을 회수하여야 증기터빈이나 가스터빈을 구동시킬 수 있으므로, 선박 엔진에서 발생하는 그보다 저온인 폐열을 활용할 수 있는 기술도 요구된다.
도 1에는 선박의 엔진에서 소기가 냉각되는 시스템을 도시하였다. 소기는 과급기를 거쳐 압축된 흡입공기를 말하는데, 압축으로 인해 온도가 높아지므로 엔진으로 유입되기 전에 소기는 냉각기를 거쳐 냉각시킨다.
도 1에 도시된 바와 같이 소기는 제1 쿨러(10), 제2 쿨러(20)에서 냉각수(CW)로 냉각시켜 엔진(E)으로 공급된다. 쿨러를 거치면서 냉각수는 소기로부터 열 에너지를 공급받게 된다.
한편, 도 2에는 천연가스를 기화시키는 기화 시스템을 도시하였다. 천연가스는 추진 또는 발전용 연료로 공급되기 위해 기화시켜야 한다. 도 2에 도시된 바와 같이 탱크로부터 펌핑된 글리콜 워터를 스팀과 열교환시켜 가열하고, 가열된 글리콜 워터를 기화기로 공급하여 천연가스를 간접 열교환으로 기화시키게 된다. 이처럼 기화기에 열 에너지를 공급하기 위해서는 스팀 등의 열원이 필요하다.
본 발명은 이상의 두 시스템을 연계시켜, 소기로부터의 폐열을 흡수하여 기화기에서 천연가스의 기화를 위해 필요한 열 에너지를 공급할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 연료 공급 시스템에 있어서,
상기 선박의 추진 또는 발전 기관에 연료로 공급되는 천연가스를 기화시키는 기화기; 및
상기 선박의 과급기로부터 메인 엔진으로 공급되는 소기를 냉각시키는 소기 냉각 유닛을 포함하되,
상기 기화기는 상기 소기 냉각 유닛으로부터 상기 소기의 폐열을 공급받아 천연가스를 기화시키는 것을 특징으로 하는 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 기화기에서 천연가스와 열교환하는 제1 냉매가 순환되는 제1 냉매 순환부; 상기 소기 냉각 유닛으로부터 상기 소기의 폐열을 공급받아 상기 제1 냉매 순환부로 전달하는 제2 냉매가 순환되는 제2 냉매 순환부; 및 상기 제1 냉매 순환부를 순환하는 제1 냉매와 상기 제2 냉매 순환부를 순환하는 상기 제2 냉매가 열교환되는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 제1 냉매 순환부는, 상기 제1 냉매가 순환되는 제1 냉매 라인과, 상기 제1 냉매 라인에 마련되며 상기 제1 냉매가 저장되는 제1 냉매 탱크와, 상기 제1 냉매 탱크로부터 상기 제1 냉매를 상기 열교환기로 공급하는 제1 냉매 펌프와, 상기 제1 냉매 라인에 마련되며 상기 천연가스의 기화 온도 값의 신호를 받아 상기 기화기로 도입되는 상기 제1 냉매의 유량을 제어하는 유량 조절 밸브를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 제2 냉매 순환부는, 상기 소기 냉각 유닛과 상기 열교환기 사이에서 상기 제2 냉매가 순환되는 제2 냉매 라인과, 상기 제2 냉매 라인에 마련되며 상기 제2 냉매를 펌핑하는 제2 냉매 펌프를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 제1 냉매 순환부는 상기 제1 냉매 라인에서 상기 열교환기의 하류에 마련되어 상기 제2 냉매와 열교환된 상기 제1 냉매의 온도 값을 감지하고 상기 제1 냉매의 온도를 제어하는 온도 제어부를 더 포함하고, 상기 제2 냉매 순환부는 상기 온도 제어부로부터 신호를 받아 상기 제2 냉매를 상기 열교환기로 재순환시키거나 상기 소기 냉각 유닛으로 도입시키는 제2 냉매 조절 밸브를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 소기 냉각 유닛은, 냉각수와 열교환시켜 상기 소기를 냉각시키는 제1 소기 냉각기와, 상기 제1 소기 냉각기에서 냉각된 소기를 추가로 냉각시키는 제2 소기 냉각기를 포함하되, 상기 제2 냉매 라인은 분기되어 상기 제1 소기 냉각기 또는 제2 소기 냉각기로 도입되고, 상기 제2 냉매는 상기 소기와 열교환 후 상기 열교환기로 도입될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박의 연료 공급 방법에 있어서,
1) 상기 선박의 과급기로부터 메인 엔진으로 공급되는 소기를 냉각시키는 소기 냉각 유닛으로부터 상기 소기의 폐열을 공급받아 제2 냉매를 가열하는 단계;
2) 상기 제2 냉매와 열교환으로 제1 냉매를 가열하는 단계; 및
3) 천연가스를 상기 제1 냉매와 열교환으로 기화시켜 상기 선박의 추진 또는 발전 기관에 연료로 공급하는 단계를 포함하는 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 방법이 제공된다.
본 발명은 선박의 과급기로부터 메인 엔진으로 공급되는 소기를 냉각시키는 소기 냉각 유닛으로부터 소기의 폐열을 공급받아 제2 냉매를 가열하고, 제2 냉매와 열교환으로 제1 냉매를 가열하여, 천연가스를 제1 냉매와 열교환으로 기화시켜 선박의 추진 또는 발전 기관에 연료로 공급하도록 한다.
소기 폐열을 통해 선박의 추진 또는 발전 기관의 연료 공급을 위한 천연가스의 기화열원을 효과적으로 확보하는 동시에, 엔진으로 공급될 소기를 냉각시킨다. 보일러나 전기 히터를 사용하지 않고 천연가스의 기화에 소기 폐열을 이용함으로써 선박의 에너지 효율을 높일 수 있고, 소기 냉각을 위해 필요한 냉각수의 양을 줄일 수 있다.
도 1은 선박의 엔진으로 공급되는 소기 냉각 시스템을 도시한다.
도 2는 천연가스의 기화 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템을 개략적으로 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료 공급 시스템은, 선박의 추진 또는 발전 기관(미도시)에 연료로 공급되는 천연가스를 기화시키는 기화기(100)와, 선박의 과급기(미도시)로부터 메인 엔진(ME)으로 공급되는 소기를 냉각시키는 소기 냉각 유닛(200)을 포함하되, 기화기(100)는 소기 냉각 유닛(200)으로부터 소기의 폐열을 공급받아 천연가스를 기화시키는 것을 특징으로 한다.
엔진의 효율을 높이기 위해 엔진에는 과급기(미도시)를 거쳐 고압으로 압축된 흡입공기가 공급되는데, 이것이 소기(scavenge air)이다. 과급기를 거친 공기는 고압의 압축으로 인해 고온 상태가 되는데 엔진으로 유입되기 전에 냉각이 필요하므로, 소기 냉각 유닛(200)을 구성하여 소기를 냉각시킨다. 메인 엔진(ME)의 100% load에서 소기 냉각 유닛(200)으로 도입되는 소기의 온도는 max. 200℃ 내외이고, 냉각 후 50℃ 내외의 온도로 엔진에 공급된다. 엔진의 load가 낮아지면 공기의 양과 압축비가 달라져 온도는 달라진다.
소기 냉각 유닛(200)은, 냉각수와 열교환시켜 소기를 냉각시키는 제1 소기 냉각기(210)와, 제1 소기 냉각기(210)에서 냉각된 소기를 저온의 냉각수로 추가로 냉각시키는 제2 소기 냉각기(220)를 포함하는데, 본 실시예는 제1 및 제2 소기 냉각기(210, 220)로부터 소기의 폐열을 기화기(100)로 공급하기 위하여 제1 냉매 순환부(300)와 제2 냉매 순환부(400)를 구성한다.
제1 냉매 순환부(300)에서는 기화기(100)에서 천연가스와 열교환하는 제1 냉매가 순환되며, 제2 냉매 순환부(400)에서는 소기 냉각 유닛(200)으로부터 소기의 폐열을 공급받아 제1 냉매 순환부(300)로 전달하는 제2 냉매가 순환된다. 제1 냉매 순환부(300)를 순환하는 제1 냉매와, 제2 냉매 순환부(400)를 순환하는 제2 냉매는 열교환기(500)에서 열교환되면서 제2 냉매가 흡수한 소기 폐열을 제1 냉매로 전달한다.
본 실시예에서 바람직하게는 기화기(100)로 순환되는 제1 냉매는 글리콜 워터이고, 소기 냉각 유닛(200)으로 순환되는 제2 냉매는 냉각수, 즉 물이다.
제1 냉매 순환부(300)는, 제1 냉매가 순환되는 제1 냉매 라인(L1)과, 제1 냉매 라인(L1)에 마련되며 제1 냉매가 저장되는 제1 냉매 탱크(310)와, 제1 냉매 탱크(310)로부터 제1 냉매를 열교환기(500)로 공급하는 제1 냉매 펌프(320)와, 제1 냉매 라인(L1)에 마련되며 천연가스의 기화 온도 값의 신호를 받아 기화기(100)로 도입되는 제1 냉매의 유량을 제어하는 유량 조절 밸브(330)를 포함한다.
제1 냉매 라인(L1)은 기화기(100) 상류에서 기화기(100)로 공급되는 라인(L1a)과 기화기(100)를 바이패스하는 라인(L1b)으로 분기되고, 유량 조절 밸브(330)는 이러한 제1 냉매 라인(L1)의 분기점에 마련되어, 기화기(100) 하류에서 감지된 천연가스의 기화 온도에 따라 기화기(100)로 공급되는 제1 냉매의 유량과 기화기(100)를 바이패스하는 제1 냉매의 유량을 제어하여 기화 온도를 제어할 수 있다. 제1 냉매 라인(L1)을 순환하는 제1 냉매, 즉 글리콜 워터 중 일부는 선박에 마련되는 DFDG로 공급될 연료를 가열하기 위한 연료히터(340)의 열원으로도 공급될 수 있다.
제2 냉매 순환부(400)는, 소기 냉각 유닛(200)과 열교환기(500) 사이에서 제2 냉매가 순환되는 제2 냉매 라인(L2)과, 제2 냉매 라인(L2)에 마련되며 제2 냉매를 펌핑하는 제2 냉매 펌프(410)를 포함한다.
제2 냉매 라인(L2)은 분기되어 제1 소기 냉각기(210) 또는 제2 소기 냉각기(220)로 도입되고(L2a, L2b), 제2 냉매는 제1 소기 냉각기(210) 또는 제2 소기 냉각기(220)에서 소기와 열교환 후 열교환기(500)로 도입될 수 있다.
제2 냉매 라인(L2)은 제1 소기 냉각기(210) 및 제2 소기 냉각기(220)의 일부를 할당하여 독립적인 물순환 폐 루프(water circuit)을 구성하도록 마련할 수 있다.
제1 냉매 순환부(300)에는 제2 냉매와 열교환된 제1 냉매의 온도 값을 감지하고 제1 냉매의 온도를 제어하는 온도 제어부(360)가 제1 냉매 라인(L1)의 열교환기(500) 하류에 마련된다. 온도 제어부(360)에서 제1 냉매의 온도 값은 약 55℃로 설정된다. 천연가스의 기화 온도가 낮기 때문에 제1 냉매의 온도 값은 약 55℃로 설정되며, 따라서 배기가스보다 온도가 낮은 소기의 폐열을 이용할 수 있다.
제1 냉매의 온도 제어를 위해 온도 제어부(360)로부터 신호를 받아 제2 냉매를 열교환기(500)로 재순환시키거나 소기 냉각 유닛(200)으로 도입시키는 제2 냉매 조절 밸브(420)가 제2 냉매 순환부(400)에 마련된다.
본 실시예의 기화기(100)에서 기화된 천연가스를 연료로 공급받는 선박의 추진 또는 발전 기관으로는 선박의 메인 엔진(ME), 보조 엔진, 발전용 엔진 등이 포함될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는, 1) 선박의 과급기로부터 메인 엔진(ME)으로 공급되는 소기를 냉각시키는 소기 냉각 유닛(200)으로부터 소기의 폐열을 공급받아 제2 냉매를 가열하고, 2) 소기 폐열로 가열된 제2 냉매를 제1 냉매와 열교환시켜 제1 냉매를 가열한 후, 3) 천연가스를 제1 냉매와 열교환으로 기화시켜 선박의 추진 또는 발전 기관에 연료로 공급하게 된다.
이와 같이 소기 폐열을 이용하여 천연가스를 기화시키므로 천연가스의 기화열 생성을 위한 보일러나 전기 히터 등의 가동을 위한 추가 에너지 사용을 절감할 수 있고, 폐열 이용을 통해 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다. 동시에 소기 냉각을 위해 필요한 냉각수의 양도 줄일 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
ME: 메인 엔진
100: 기화기
200: 소기 냉각 유닛
210: 제1 소기 냉각기
220: 제2 소기 냉각기
300: 제1 냉매 순환부
L1: 제1 냉매 라인
310: 제1 냉매 탱크
320: 제1 냉매 펌프
330: 유량 조절 밸브
360: 온도 제어부
400: 제2 냉매 순환부
L2: 제2 냉매 라인
410: 제2 냉매 펌프
420: 제2 냉매 조절 밸브
500: 열교환기

Claims (7)

  1. 선박의 연료 공급 시스템에 있어서,
    상기 선박의 추진 또는 발전 기관에 연료로 공급되는 천연가스를 기화시키는 기화기; 및
    상기 선박의 과급기로부터 메인 엔진으로 공급되는 소기를 냉각시키는 소기 냉각 유닛을 포함하되,
    상기 기화기는 상기 소기 냉각 유닛으로부터 상기 소기의 폐열을 공급받아 천연가스를 기화시키는 것을 특징으로 하는 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기화기에서 천연가스와 열교환하는 제1 냉매가 순환되는 제1 냉매 순환부;
    상기 소기 냉각 유닛으로부터 상기 소기의 폐열을 공급받아 상기 제1 냉매 순환부로 전달하는 제2 냉매가 순환되는 제2 냉매 순환부; 및
    상기 제1 냉매 순환부를 순환하는 제1 냉매와 상기 제2 냉매 순환부를 순환하는 상기 제2 냉매가 열교환되는 열교환기를 더 포함하는 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제1 냉매 순환부는
    상기 제1 냉매가 순환되는 제1 냉매 라인;
    상기 제1 냉매 라인에 마련되며 상기 제1 냉매가 저장되는 제1 냉매 탱크;
    상기 제1 냉매 탱크로부터 상기 제1 냉매를 상기 열교환기로 공급하는 제1 냉매 펌프; 및
    상기 제1 냉매 라인에 마련되며 상기 천연가스의 기화 온도 값의 신호를 받아 상기 기화기로 도입되는 상기 제1 냉매의 유량을 제어하는 유량 조절 밸브를 포함하는 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 제2 냉매 순환부는
    상기 소기 냉각 유닛과 상기 열교환기 사이에서 상기 제2 냉매가 순환되는 제2 냉매 라인; 및
    상기 제2 냉매 라인에 마련되며 상기 제2 냉매를 펌핑하는 제2 냉매 펌프를 포함하는 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 냉매 순환부는 상기 제1 냉매 라인에서 상기 열교환기의 하류에 마련되어 상기 제2 냉매와 열교환된 상기 제1 냉매의 온도 값을 감지하고 상기 제1 냉매의 온도를 제어하는 온도 제어부를 더 포함하고,
    상기 제2 냉매 순환부는 상기 온도 제어부로부터 신호를 받아 상기 제2 냉매를 상기 열교환기로 재순환시키거나 상기 소기 냉각 유닛으로 도입시키는 제2 냉매 조절 밸브를 포함하는 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 소기 냉각 유닛은
    냉각수와 열교환시켜 상기 소기를 냉각시키는 제1 소기 냉각기; 및
    상기 제1 소기 냉각기에서 냉각된 소기를 추가로 냉각시키는 제2 소기 냉각기를 포함하되,
    상기 제2 냉매 라인은 분기되어 상기 제1 소기 냉각기 또는 제2 소기 냉각기로 도입되고, 상기 제2 냉매는 상기 소기와 열교환 후 상기 열교환기로 도입되는 것을 특징으로 하는 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 시스템.
  7. 선박의 연료 공급 방법에 있어서,
    1) 상기 선박의 과급기로부터 메인 엔진으로 공급되는 소기를 냉각시키는 소기 냉각 유닛으로부터 상기 소기의 폐열을 공급받아 제2 냉매를 가열하는 단계;
    2) 상기 제2 냉매와 열교환으로 제1 냉매를 가열하는 단계; 및
    3) 천연가스를 상기 제1 냉매와 열교환으로 기화시켜 상기 선박의 추진 또는 발전 기관에 연료로 공급하는 단계를 포함하는 소기 폐열을 이용한 선박의 연료 공급 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190080353A (ko) * 2017-12-28 2019-07-08 대우조선해양 주식회사 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법
KR102111524B1 (ko) * 2018-12-06 2020-05-15 대우조선해양 주식회사 선박의 소기 냉각 시스템 및 방법

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